Adhesión de Stefan

La adhesión de Stefan es la tensión normal (fuerza por unidad de área) que actúa entre dos discos cuando se intenta separarlos. La ley de Stefan rige el flujo de un fluido viscoso entre placas paralelas sólidas y, por lo tanto, las fuerzas que actúan cuando las placas se aproximan o se separan. La fuerza${\displaystyle F}$resultando a distancia${\displaystyle h}$entre dos discos circulares paralelos de radio${\displaystyle R}$, inmerso en un fluido newtoniano con viscosidad${\displaystyle \eta }$, en ese momento${\displaystyle t}$depende de la tasa de cambio de separación${\displaystyle {\frac {dh}{dt}}}$ :

${\displaystyle F={\frac {3\pi \eta \ R^{4}}{2h^{3}}}{\frac {dh}{dt}}}$

La adhesión de Stefan se menciona junto con la bioadhesión en animales que secretan moco . Sin embargo, la mayoría de estos sistemas no cumplen con los supuestos de la ecuación. ^{[ 1 ]} Además, estos sistemas son mucho más complejos cuando el fluido no es newtoniano o cuando los efectos inerciales son relevantes (caudal elevado).

La adhesión de Stefan es relevante en una variedad de sistemas biológicos y de ingeniería. En contextos biológicos, se utiliza para modelar mecanismos de adhesión en organismos secretores de moco, como gasterópodos y anfibios, donde las fuerzas viscosas resisten la separación de superficies en contacto. ^{[ 2 ]} En sistemas microelectromecánicos (MEMS) y dispositivos microfluídicos, la adhesión de Stefan se considera en el diseño de componentes que involucran pequeños espacios de fluido, como microválvulas y actuadores, donde la resistencia viscosa puede influir en el rendimiento del dispositivo. ^{[ 3 ]} En relación con la fabricación moderna, la gestión de la adhesión de Stefan es clave para la implementación efectiva de la Producción Continua de Interfaz Líquida (CLIP) , un método de fabricación aditiva a escala industrial utilizado por Carbon . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

La ecuación clásica de adhesión de Stefan asume un fluido newtoniano, incompresibilidad, condiciones de contorno de no deslizamiento y efectos inerciales despreciables. Estas suposiciones pueden no ser válidas en sistemas que involucran fluidos no newtonianos, contornos deformables o altas velocidades de separación. ^{[ 6 ]} Los fluidos biológicos, como el moco, a menudo exhiben un comportamiento viscoelástico o pseudoplástico, lo que requiere modificaciones al modelo estándar. ^{[ 7 ]} Además, la rugosidad de la superficie, la humectación parcial y la compliancia de los cuerpos en contacto pueden alterar la fuerza de adhesión medida. ^{[ 8 ]}

Se han propuesto varias extensiones al modelo original de Stefan para abordar las desviaciones de sus supuestos simplificadores. Estas incluyen formulaciones para fluidos viscoelásticos, sustratos deformables y geometrías no circulares. ^{[ 9 ]} En sistemas con fluidos no newtonianos, se utilizan modelos constitutivos como las ecuaciones de Maxwell u Oldroyd-B para describir la viscosidad dependiente del tiempo. ^{[ 10 ]} Se emplean métodos numéricos, incluidas simulaciones de elementos finitos, para resolver geometrías y comportamientos de fluidos más complejos. ^{[ 11 ]}

Las mediciones experimentales de la adhesión de Stefan suelen implicar la separación de dos placas paralelas con una capa de fluido controlada entre ellas, mientras se monitoriza la fuerza resultante. ^{[ 12 ]} También se utilizan técnicas a micro y nanoescala, como la microscopía de fuerza atómica (AFM), para caracterizar las fuerzas de adhesión de Stefan en sistemas de materia blanda y materiales bioadhesivos, donde puede ser necesaria una resolución de fuerza del orden de nanonewtons.